Przetwarzanie obrazów rastrowych

Przetwarzanie obrazów rastrowych Zajęcia 1 Format rastrowy. 2009-02-24 22:13:57

Definicja rastrowego modelu danych - przypomnienie - Podstawowy element obrazu cyfrowego to piksel, uważany w danym momencie za wewnętrznie jednorodny, traktowany jest jako punkt; - Piksele są uporządkowane w numerowane wiersze i kolumny, tworząc macierz; początek wewnętrznego układu współrzędnych, czyli numerowanie znajduje się najczęściej w lewym górnym rogu obrazu (0,0,Z) TNTMips, PCI, MapInfo lub w lewym dolnym (I ćwiartka kartez. ukł. współ.) ArcMap; - Z wewnętrznym układem współrzędnych powiązany jest zewnętrzny układ odniesienia (geograficzny, topograficzny); na podstawie tego powiązania wyliczany jest rzeczywisty wymiar komórki rastrowej (piksela); - Macierz rastrowa po każdej operacji geometrycznej (np. obrót o zadany kąt) pozostaje zawsze prostokątna; praktycznie wymusza to konieczność tworzenia nowej macierzy prostokątnej, czyli tzw. Resampling (próbkowanie) - Dla każdego piksela określana jest jego pozycja względem początku układu oraz przyporządkowywana wartość-cecha, która odpowiada np. barwie, wartości odbitego promieniowania EM czy wysokości n.p.m. itd.;

Definicja rastrowego modelu danych cd - Wartości jakie może przyjąć piksel, są ściśle określone przez tzw. głębokość piksela, czyli ilość bitów zarezerwowanych w pamięci przeznaczonych do zapisania tejże wartości (dziedzina wartości komórek rastrowych); sposób zapisu wartości przypisanych pikselowi uzależniony jest w pewnych przepadkach od przyjętego modelu barw (RGB, HIS, CMYK); - Praktyczna realizacja rastrowego modelu danych wyraża się istnieniem wielu formatów rastrowych: TIFF, BMP, JPEG, JP2000 (XNVIEW odczytuje ponad 300 formatów rastrowych); - Bogactwo ilości formatów rastrowych wynika z bardzo różnych przyczyn: ochrony danych, specyfiki oprogramowania i zastosowań (formaty pod konkretne rozwiązania programistyczne, wielostronicowość), stosowanych technik kompresji obrazu (kompresja falkowa). - W systemach GIS używa się różnych formatów rastrowych, za standard uważa się geotiff a.

Kodowanie cech i barw Barwy są kodowane za pomocą liczb. Do zapisu tych liczb w pamięci komputera wykorzystuje się system dwójkowy. + 159 Liczba w układzie dziesiętnym Kolejne potęgi liczby 2, odpowiada to ilości bitów w pamięci Liczba w zapisie dwójkowym 256 128 64 32 16 8 4 2 1 0,5 0,25 0,125 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0, 2-1 2-2 2-3 1 0 0 1 1 1 1 1, 0 0 0 Kolejnie bity

Głębokość piksela. Przykładowe kodowania wartości komórek rastrowych (TNTmips) Binary [binarny] (0,1) 1-bit classification output, dithered print [klasyfikacja, wydruk] (0 to 15) 4-bit unsigned integer [całkowity dodatni] (0 to 255) 8-bit signed integer [całkowity ze znakiem] (-128 to 127) 8-bit composite color [złożony kolor, tabela kolorów] (0 to 255, wymaga palety kolorów) 8-bit unsigned integer [całkowity dodatni] (0 to 65,535) 16-bit signed integer [całkowity ze znakiem] (-32,768 to 32,767) 16-bit composite color [złożony kolor] (RGB or BGR packed) 16-bit composite color [złożony kolor] (RGB or BGR packed) 24-bit unsigned integer [całkowity dodatni] (0 to 4,294,967,295) 32-bit signed integer [całkowity ze znakiem] (-2,147,483,648 to 2,147,483,647) 32-bit floating point [rzeczywisty zmienno-przecinkowy] 32-bit floating point [rzeczywisty zmienno-przecinkowy] 64-bit complex number [liczby zespolone] (magnitude/phase) 64-bit complex number [liczby zespolone] (real/imaginary pair) 64-bit complex number [liczby zespolone] (magnitude/phase) 128-bit complex number [liczby zespolone] (real/imaginary pair) 128-bit WIĘCEJ: http://www.randelshofer.ch/fhw/gri/float.html#chapterfloatingpointformat

24-bitowy model barwny RGB Model barwny RGB opiera się na trójchromatycznej teorii widzenia. Zakłada ona, iż każdą barwę można uzyskać mieszając trzy barwy podstawowe: czerwony, zielony niebieski. W tym modelu gama dostępnych kolorów jest reprezentowana w obrębie sześcianu stworzonego w układzie współrzędnych kartezjańskich. Model ten jest addytywny, tzn. barwy uzyskuje się w wyniku przestrzennego sumowania strumieni świateł w barwach podstawowych. Stosując jednakowe proporcje pomiędzy strumieniami uzyskuje się poziomy szarości, od czarnego (0,0,0) do białego (255,255,255) w 24-bitowej skali. Model ten jest koncepcyjnie bardzo prosty i ze względu na liniowość umożliwia łatwe wykonywanie obliczeń związanych z wyznaczaniem barw. Reprezentuje on jednak tylko pewien podzbiór barw widzialnych.

Kompresja plików rastrowych Celem kompresji danych rastrowych jest zmniejszenie ilości miejsca zajmowanego na nośnikach magnetycznych przez dane rastrowe oraz przyspieszenie transmisji danych obrazowych w sieciach. W trakcie kompresji ilość informacji może ulegać redukcji. Dlatego wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje kompresji: - bezstratną, zastosowanie której nie zmienia wartości (barw) pikseli, np. Lossless, LZW- TIFF, Huffman, RLE, oraz - stratną, która powoduje zmniejszenie ilości kolorów w przestrzeni barwnej, np. JPEG, JPEG2000, ECW, MrSID (choć można w tych formatach przyjąć zerowa stratę infromacji). Określone formaty graficzne obsługują jeden bądź kilka algorytmów kompresji. Zdarza się, że nie wszystkie programy posiadają zdolność obsługiwania wszystkich alg. kompr. przewidzianych dla danego formatu rastrowego (np. wewnętrznej kompresji JPG i ZIP w TIFF od PHOTOSHOP 7) Poniżej przedstawiony został prosty przykład bezstratnej kompresji dla pliku binarnego o wymiarach 1 x 30. Przed kompresją: 111111111100000000001111100000 Po kompresji: 10 1 10 0 5 1 1 5 1

Elementy struktury pliku rastrowego Początek pliku rastrowego stanowi nagłówek, który zawiera wszelkie informacje niezbędne do odczytu i interpretacji danych rastrowych; wielkość nagłówka może osiągnąć wielkość kilkuset bajtów, np. definicja przestrzennego systemu współrzędnych odniesienia W systemach GIS/RS informacje zwarte w nagłówku pliku rastrowego mogą być przechowywane w oddzielnych plikach tekstowych Obszar danych to uporządkowana w określony sposób informacja o położeniu i wartości przypisanej poszczególnym pikselom, ten sposób uwzględnia również kompresję danych Formy uporządkowania obszaru danych wielospektralnych: Sekwencja zakresów (BSQ), Zakres przeplatany liniami (BIL), Zakres przeplatany pikselem (BIP). Często wewnątrz pliku jest zapisywana piramida rastrowa.

Piramida rastra Jest to zapis wielu kopii tego samego obrazu z coraz mniejszą rozdzielczością, Obecność piramidy przyspiesza szybkość wyświetlania rastra (również w sieci, karta graficzna odwołuje się wówczas do tego poziomu piramidy, który wymiarem najbardziej odpowiada wielkości ekranu monitora, Zwiększa ilość miejsca zajmowanego na dysku, np. TNTmips w zależności od tego czy jest o pełna piramida czy okrojona wielkość pliku wzrasta od 7 do 25%, w ArcInfo piramida jest zapisywana w pliku o tej samej nazwie i rozszerzeniu.rrd, W TNTmipsie piramida jest zapisywana jako podobiekty do obiektu, wewnątrz pliku.rvc, MapInfo (do wersji 7.5) nie pozwala tworzyć piramidy dla rastrów, stąd bardzo duże pliki powinny być wyświetlane jako obrazy zapisane w formatach falkowych (polecane ECW), Formaty falkowe posiadają piramidę w swej strukturze jako integralną część. Kolejne elementy piramidy

Zewnętrzne układy współrzędnych 769 000,32 768 987,32 482 028,37 482 052,37 W celu powiązania informacji zawartej na zdjęciu (obrazie) lotniczym lub satelitarnym z danymi zawartymi na mapie np. topograficznej należy nadać mu współrzędne takie jakie posiada mapa (współrzędne płaskie, współrzędne geograficzne). Nadanie współrzędnych obrazowi rastrowemu jest powiązaniem współrzędnych wewnętrznych (układ linii i kolumn) ze współrzędnymi zewnętrznymi (X i Y [m] w układzie topograficznym; długość i szerokość geograficzna ).

Zadania semestralne przygotowanie prezentacji Opracować prezentację wyjaśniającą przeprowadzenie określonej operacji na obrazie rastrowym w dowolnym programie graficznym. Ma ona być wykonana w taki sposób jakby stanowiła pomoc dołączoną do oprogramowania. Prezentacja zapisana w formacie.pps lub.ppt i.pdf (czyli finalnie w dwóch formatach). W podsumowaniu należy ocenić sam program pod kątem realizacji danej operacji; np. czy możliwe jest zautomatyzowanie danej operacji dla wielu plików Wymiar prezentacji od 15-20 slajdów. Termin oddania prac upływa z końcem kwietnia 2009. Konsultacje mail em lub w ramach zajęć po części teoretycznej. Temat prezentacji określany jest samodzielnie i jest akceptowany przez prowadzącego. Drugie zadanie obejmuje napisanie referatu na temat związany generalnie z formatami graficznymi i ich przetwarzaniem, np. na temat wybranego standardu grafiki rastrowej - TIFF, BMP. Musi być to format dotyczący przechowywania danych rastrowych (może być to także standard hybrydowy, taki jak pdf, dopuszczający zapis grafiki zarówno rastrowej jak i wektorowej). Praca ma posiadać postać dokumentu pdf, wymagane są cztery strony tekstu, 12, arialem, bez odstępu + ilustracje. Struktura pracy powinna obejmować wszystkie najważniejsze fakty dotyczące tematu, np. w rzypadku opisu użycia rastrów w ramach konkretnego oprogramowania: dopuszczalne kodowania cech, dopuszczalny rozmiar rastra, zastosowania, ocena: wady - zalety, wykorzystanie do przechowywania informacji przestrzennej, wszelkie możliwe ciekawostki itd. Przykłady tematów podane zostały na następnym slajdzie.

Zadania semestralne przygotowanie prezentacji Przykładowe tematy referatów poświęconych formatom graficznym: 1) TIFF jako standard graficzny. Historia. Dokumentacja elektroniczna; 2) TIFF, GEOTIFF i BIGTIFF. 3) GEOPDF. 4) Biblioteka GDAL praktyczne przetwarzanie rastrów w systemie wsadowym. 5) Obsługa rastrów w systemie ARCGIS; 6) Obsługa rastrów w systemie IDRISI; 7) Obsługa rastrów w systemie MapInfo; 8) Zasady kompresji falkowej. Formaty MrSID i ECW. 9) JPG i JPG2000 historia i współczesność. 10) Format PNG. 11) Raster w TNTmips plusy i minusy. 12) Narzędzia do konwersji formatów rastrowych. 13) Photoshop historia i współczesność. 14)

Do nauczenia na następne zajęcia Podręczniki do TNTMips http://www.microimages.com/getstart/pdf_new/view2d.pdf strony 3-12 http://www.microimages.com/getstart/pdf_new/navigate.pdf strony 3-8, 14-18 http://www.microimages.com/getstart/ pod tym adresem można znaleźć te podręczniki w innych wersjach językowych Wejściówka z tych zagadnień na następnych zajęciach.

Instalacja TNTMIPS w domu Każdy może sobie zainstalować TNT w domu ściągając wersję instalacyjną z Internetu pod dowolnym systemem operacyjnym i procesorze (Win32, Win64, Vista, Vista64, Macintosh) Są dwie wersje instalacyjne minimalna (~120 mb tylko program) i pełna (~320 mb bez przykadłowych danych); dane ściąga się oddzielnie; Patch i instalacja: http://www.microimages.com/freestuf/tntpatch/v74release.htm TNTlite http://www.microimages.com/tntlite/osdialog.htm Po instalacji należy się zarejestrować, aby otrzymać kod inicjalizacji. Najczęściej zadawane pytania do procesu ściągnięcia i instalacji TNTmips wraz z odpowiedziami zawarte są na stronie: http://www.microimages.com/tntlite/downloadfaq.htm Slajd z wyglądem podanych stron na następnych slajdach.

Zasady wykonania ćwiczenia Obrazy wynikowe do zadań zapisujemy w pliku nazwiskonr.rvc (bieżące nr 1) a komentarze do wyników zapisujemy w pliku NazwiskoNR.doc, według wskazówek i schematów zawartych w ćwiczeniu NIE UMIESZCZAĆ SPACJI I POLSKICH ZNAKÓW W NAZWACH PLIKÓW Jeżeli ktoś jest nieobecny na ćwiczeniach to wykonuje ćwiczenie samodzielnie w domu. Opisy do ćwiczeń dostępne są w Internecie pod adresem http://ztg.amu.edu.pl/cyfr.htm * Jak ten sposób nie będzie działał, to wówczas to proszę wysłać poczta (lotniczą ) ) lub mail: slawomirkrolewicz@gmail.com

Struktura pliku wynikowego Nazwiskonr.rvc topokont, rzezba kontynentu topomapa, funk, uzytk1, zdjecie, wystawa, uzytk2, topomapa2 zdjecie2 Pozostałe opisy samodzielne Sprawozdanie z komentarzem do ćwiczenia NazwiskoNr.doc Kodowanie kolorami plików i obiektów: Plik.rvc lub folder, obiektrastrowy, opis obiektu Plik ten tworzony jest w miarę potrzeby powinno to jasno wynikać z treści ćwiczeń. Z dzisiejszych zajęć do wysłania są dwa pliki z obiektami wynikowymi: nazwisko1a.rvc i nazwisko1b.rvc

Część zadaniowa Materiały do ćwiczenia (prezentacja, filmiki.avi lub we flash u z zapisem wyboru poszczególnych procesów modułów, dane do ćwiczenia: http://ztg.amu.edu.pl/cyfr.htm

Zadanie 1 Celem ćwiczenia jest stworzenie czystych rastrów w zależności od typu informacji, która ma być w nich przechowywana, czyli dobór odpowiedniej głębokości piksela i nadanie wartości początkowej obrazowi równej barwie białej (trzeba się nad tym zastanowić - w binarnym to będzie 1, ale w innych kodowaniach nie będzie to jeden!). Utworzyć czyste rastry w celu [proces Raster/Utilities/Create Empty Raster]: - zapisu zmienności wysokości topograficznej w skali kontynentu [obiekt o nazwie topokont] - Zapisu wysokości topograficznej dla mapy topograficznej 1:10000 (cięcie ćwiartkowe 1,25m), [obiekt o nazwie topomapa] - Zapisu wyników obrazu funkcji rozkładu oświetlenia w płaszczyźnie zdjęcia [obiekt o nazwie funk] - Zapisu 17 kategorii użytkowania ziemi kodowanych liczbami całkowitymi dodatnimi, [obiekt o nazwie uzytk1] - Zapisu obrazu w barwach rzeczywistych, [obiekt o nazwie zdjecie] - Zapisu wystawy stoku w stopniach, [obiekt o nazwie wystawa] - Zapisu 47 kategorii użytkowania, kodowanych liczbami ze zbioru liczb całkowitych, od 016 do 153, z celowo wprowadzonymi przerwami w numeracji, [obiekt o nazwie uzytk2] - Zapisu mapy topograficznej czterowbarwnej, [obiekt o nazwie topomapa2] - Zapisu obrazu teledetekcyjnego zakresie widzialnym, ze zróżnicowaniem odbicia promieniowania elektromagnetycznego od 1do 2047 [obiekt o nazwie zdjecie2] Wszystkie obiekty zapisać w pliku o nazwie nazwisko1a.rvc Zadanie ilustruje filmik cpo1.avi.

Ścieżka z menu głównego Raster/Utilities/Create Empty Raster Wymiar rastra w wersji edukacyjnej: ilość pikseli musi być mniejsza lub równa 512 x 512 pikseli. Wymiar macierzy Typ danych rastrowych Komórka zerowa Wartość początkowa Uruchomienie procesu (pojedynczy raster)

Przykładowe pole pracy do zadania 1. Uruchomione procesy: Raster/Utilities/Create Empty Raster Tools/Manage Project Files Systemowy Kalkulator

Zadanie 2 Celem ćwiczenia jest stworzenie czystego rastra, przygotowanie odpowiedniego wektora, który następnie posłuży do pocięcia rastra na kilkanaście mniejszych. - Tworzymy czysty raster o wymiarze 512 x 512, i zapisujemy pod nazwą calosc w pliku wynikowym nazwisko1b.rvc [proces Raster/Utilities/Create temp Raster] - Stworzyć w edytorze danych nowy [proces Main/Edit] obiekt wektorowy (zaznaczyć w obrębie okienka tworzenia nowego wektora opcję ramki okalającej cały obszar; nie zmieniać innych opcji!!!) na podkładzie obrazu rastra calosc (obraz rastrowy otworzyć do podglądu przed stworzeniem nowego obiektu wektorowego) i zapisujemy go pod nazwą ramka w pliku wynikowym nazwisko1b.rvc. - Stworzyć siatkę wektorową (poligony) w procesie [proces Geometric/Compute/Polygon Grid], z wejściowym obiektem wektorowym ramka, wybieramy rodzaj oczka siatki o jednakowym wymiarze 100 m, punkt początkowy siatki(0,0), zapisać w pliku wynikowym nazwisko1b.rvc nowy obiekt pod nazwą grid. - Pociąć raster zgodnie z zasięgiem poligonów utworzonych wcześniej obiekt grid. [proces Raster/Ectract]; nazwy dla kolejnych części określić według tabeli internal, pole element num; wyniki - pocięty na 36 elementów obraz, zapisać w pliku wynikowym nazwisko1b.rvc (nazwy nowych obrazów utworzyć automatycznie różdżką). - Zadanie ilustruje film cpo2f.fl.

Tworzenie, wybór, przeglądanie obiektów w TNTmips Pełna ścieżka Wymiar miniaturki Nowy folder, zarówno na poziomie systemu jak i wewnątrz pliku.rvc Nowy plik rvc Nowy obiekt Sortowanie Jeden poziom do góry Ostatnio używane katalogi Zmiana nazwy obiektu Informacja o obiekcie

Drugi Pakiet oprogramowania GIS/RS ILWIS 3.4, instalacja Pakiet można ściągnąć z Internetu lub ze strony naszego wydziału: http://www.geoinfo.amu.edu.pl/geoinf/m/52n-ilwis-v3-04-00.zip00.zip Dane + aplikacje Dokumentacja do tego systemu dostępna jest z następujących stron: http://www.itc.nl/ilwis/documentation/version_2/aguide.asp Pełna dokumnetacja dl Ilwis a 3.0 http://52north.org/index.php?option=com_content&task=view&id=149&itemid=127